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三维并行电法在探测界沟矿岩层富水情况中的应用

摘要：工作面断层、裂隙等构造含水情况一直是影响煤矿安全开采的重要因素。本文叙述了三维电法在探查8220工作面顶板方向100m深度范围内岩层富水情况中的应用。
关键词：三维电法；富水性
1 引言
    长期以来直流电阻率法在工程勘探中发挥着重要作用，其主要是通过测试地下介质电性参数差异判断地质异常。其中二维勘探技术即高密度电阻率法，是一种阵列勘探方法，该方法即能探测地下某一深度水平方向的电阻率信息，又能够反映出竖直方向的电阻率信息，同时达到电测深和电剖面两种方法探测效果。对于不连续地质体进行勘探，一般要求确定其精确位置以及大小，由于地质表现为三维电性结构，使得二维勘探结果中的异常反应很难确定是否受到三维地质体旁侧效应的影响，如果不能保证测线位置正好在目标体的上方，此时就很难给出准确结论。所以三维电阻率法越来越受到人们的关注。本文将通过叙述三维并行电法在探查8220工作面顶板方向100m深度范围内岩层富水中的应用情况及探查结果以助于深入了解三维电阻率法在工程勘探中的优势。
2 工程概况
2.1 简介
    8220工作面是东一采区82煤层首采面，属缩小防水煤柱上提开采工作面，上部为82煤层露头防水煤岩柱，西为采区上山保护煤柱，东为DF11断层保护煤柱，下部为8221工作面（尚未掘进）。走向长910m，倾斜长60～140m，面积100900㎡，煤层倾角15°～18°，平均16°，揭露煤层平均厚度2.3m左右，可采储量29.8万吨。见图2-1。
    8220工作面水文地质复杂，上距“四含”33.7m，留防砂煤岩柱。主要受顶板砂岩水及“四含水”的影响，同时8220工作面顶板7煤工作面采空区的富水性也会对该工作面的回采构成威胁。为调查8220工作面顶板岩层的富水性，完成对8220工作面顶板100m范围内岩层的情况进行探测，本次探测主要采用三维并行电法。
2.2 探测目的及任务
    为确保8220工作面的安全开采，工作面开采前必须查明顶板岩层的富水性及断层、裂隙含水情况，为工作面防治水工作提供技术依据。为此，界沟煤矿确定采用地球物理勘探手段查明工作面开采范围内顶板岩层富水情况，为工作面安全高效开采提供有效的水文地质依据。本次地球物理勘探根据矿方要求，结合现场条件，采用三维直流电法，完成以下任务：探查8220工作面顶板方向100m深度范围内岩层富水情况。
3 现场数据采集
    现场探测工作于2015年7月12日至7月13日进行，本次三维并行电法探测分别在综采面风巷、机巷和切眼进行，现场共布置8个测站，每条巷道各布置4个测站，每个测站布置64个电极，相邻电极间距设置为5m，即单个测站控制测线315m，为提高三维电法测试精度，本次探测时针对相邻测站实行电极覆盖观测，本次探测时相邻测站之间有20至30个覆盖电极不等，现场共控制电法测线+950m(风巷)、+950m(机巷)、+60m(切眼)，具体测线布置见图3-1。

图2-1 8220工作面顶板岩层柱状图

4 探测结果分析
   考虑到电法体积效应与测试装置及其阵列布置方式有关，不同的数据处理方法对测试介质的电性分布存在差异，为提高综采面顶板水害探查精度，本次对8个测站电法数据进行分类解编，分别形成高密度电法数据文件和三维电法反演文件，通过顶板测试视电阻率剖面和三维电法反演切片从纵向和横向两个角度对顶板岩层电性特征进行分析判定。
    图4-1为双巷顶板高密度视电阻率剖面。该图中用冷色调至暖色调表示视电阻率值从低到高。从该图中明显可见，顶板100m范围内岩层视电阻率差异明显，其中，以10Ω·m为相对低视电阻率阈值，则从图中分别可以确定：
    (1)对于风巷，排除0m至50m相对不确定低阻区外，其它低阻区域总体分布在顶板60m以内，结合图2-1所示顶板岩层柱状图，分析判定该低阻区为顶板砂岩裂隙发育并含水引起的，具体分布可见图4-1中10Ω·m等值区。
    (2)机巷顶板重点防治区域主要位于巷道走向150m至400m区段(以图中坐标为参考)，从该区视电阻率分布情况来看，该区10 低阻区有向上延伸趋势，其中走向280m至400m区段可能与第四系有一定的水力联系，其它低阻区域基本位于顶板60m范围以内，为顶板砂岩含水层引起，具体低阻区分布可见图4-1。
    图4-2至图4-6为三维电法反演切片，由切片结果图可以看出，在该工作面顶板存在6处低阻异常区域，分别命名为YC1、YC2、YC3、YC4、YC5、YC6。其中YC1位于走向0-80m，倾向距离机巷100-130m范围内，推测该区域内顶板砂岩与第四系存在一定的水力联系；YC2位于巷道走向50-300m，倾向距离风巷0-30m范围内，推测为受顶板7煤采空区影响所致；YC3位于巷道走向280-400m，倾向距离机巷0-60m范围内，推测该区域内顶板砂岩富水；YC4位于巷道走向360-500m，倾向距离机巷80-120m范围内，推测该区域顶板砂岩与第四系存在一定的水力联系；YC5位于巷道走向550-650m，倾向距离机巷0-20m范围内，推测该区域顶板砂岩存在一定的富水性；YC6位于巷道走向800-900m，倾向距离机巷0-60m范围内，推测该区域顶板砂岩存与第四系存在一定的水力联系。
5 结论及建议
    1、YC1、YC4、YC6在风巷位置高度均在40m以上，该区域内顶板砂岩与第四系存在一定的水力联系，建议在回采前进行疏放。
    2、YC2高度在20m，为上部7煤采空区影响所致，建议在回采前进行打钻验证。
    3、YC3、YC5在机巷位置高度在40～60m，该区域顶板砂岩存在一定富水性。回采期要加强水文观测，建立完善的排水设施，保证排水能力。